Prof. dr hab. inż. Lech Chmurzyński

BLOK TEMATYCZNY I

BLOK TEMATYCZNY I

Elementy radiochemii -

Elementy radiochemii -

jądro atomowe

jądro atomowe

Klasyfikacja cz

Klasyfikacja cz

ą

ą

stek elementarnych

stek elementarnych

Wszystkie

cząstki

występujące

w

przyrodzie

ulegają

reakcjom,

w

których

przechodzą w inne cząstki lub promieniowanie,
lub też z nich powstają. Najprostsze znane
cząstki to:
 8 barionów (proton, neutron i 6 cięższych)
 8 antybarionów
 8 mezonów i antymezonów
 8 leptonów i antylepton
 foton
 grawiton

Odkrycie cz

Odkrycie cz

ą

ą

stek elementarnych (zarys historyczny)

stek elementarnych (zarys historyczny)



materia i antymateria

materia i antymateria

(P.A.M. Dirac, 1902) –

specyficzny

rodzaj

materii

stanowią

cząstki

elementarne, z których zbudowane są atomy
(

elektrony, protony, neutrony

elektrony, protony, neutrony

); specyficzny rodzaj

antymaterii stanowią natomiast cząstki mniejsze od
atomów (

pozytony, mezony

pozytony, mezony

).



elektron

elektron

(J.J. Thomson, 1897) – pierwsza cząstka

elementarna, którą poznano. Jest trwały, można go
zniszczyć jedynie przez reakcję z innymi cząstkami.



proton

proton

(E. Goldschmidt, 1886; J.J. Thomson, 1906)

– dodatnio naładowana niezależna, trwała cząstka.



j

j

ą

ą

dro najl

dro najl

ż

ż

ejszego izotopu wodoru

ejszego izotopu wodoru

; 1,0072164

u

H

1
1



pozyton

pozyton

(

(

antyelektron

antyelektron

)

)

(C.D. Anderson, 1932) –

znaleziony wśród cząstek wytwarzanych w czasie
działania promieni kosmicznych na materię; jest
identyczny z elektronem, z tą różnicą, że ma ładunek
+e zamiast –e; zalicza się do trwałych cząstek.



neutron n

neutron n

(J. Chadwick, 1932) – cząstka o masie

nieznacznie większej od masy protonu (1,0086650
u) i o ładunku elektrycznym równym zero.


antyproton

antyproton

(E. Segre, O. Chamberlain, 1955) – jest

cząstką o masie równej masie protonu, lecz posiada
ładunek ujemny; reaguje z protonem lub neutronem
i nadzwyczaj szybko zanika.


antyneutron

antyneutron

(E. Segre, O. Chamberlain, 1956) –

cząstka posiadająca taką, masę jak neutron i nie
posiadający ładunku elektrycznego; różni się od
neutronu znakiem momentu magnetycznego.


dodatni i ujemny mezon

dodatni i ujemny mezon





+

+

i

i





-

-

(C.F. Powell, 1947)

– mają ładunki elektryczne równe ładunkowi
pozytonu względnie elektronu i masę 275 razy
większą od masy elektronu; ulegają samorzutnemu
rozpadowi.



oboj

oboj

ę

ę

tny mezon

tny mezon





0

0

(1950) – posiada masę 263, a

więc nieco mniejszą niż dodatnie i ujemne
mezony; ulega samorzutnemu rozpadowi.

•

cząstki V

cząstki V

(1947) – dodatnie, ujemne i obojętne;

mają masę ok. 2200 razy większą od masy
elektronu; rozpadają się na proton i mezon.

•

foton

foton

hν

hν

– poruszają się z prędkością światła,

nie mają masy spoczynkowej.

•

neutrino

neutrino

– cząstka o masie spoczynkowej

równej

zeru

i

nie

posiadająca

ładunku

elektrycznego.

Si

Si

ł

ł

y j

y j

ą

ą

drowe

drowe

Nukleony zawarte w jądrze mają bardzo małą

objętość. Rozmiary jądra są rzędu 10

-14

– 10

-15

m. Siły

elektrostatycznego odpychania między protonami,
znajdującymi się w małych odległościach od siebie, są
więc bardzo znaczne. Większość jąder stanowi układy
bardzo trwałe. Oprócz sił odpychania między protonami
występują w jądrze jeszcze inne siły, siły przyciągania,
przewyższające siły odpychania. Siły te nazywamy

si

si

ł

ł

ami j

ami j

ą

ą

drowymi

drowymi

. Podlegają im wszystkie nukleony

niezależnie od ich ładunku elektrycznego. Cechą
charakterystyczną sił jądrowych jest to, że bardzo
szybko zanikają w miarę wzrostu odległości. Duże
wartości przyjmują wówczas, gdy nukleony znajdują się
w odległości nie przekraczających rozmiarów jądra. Są
to więc siły o małym zasięgu. Z teorii względności
Einsteina wynika, że w przyrodzie mogą zachodzić
procesy, w których masa układu ulega zmianie wskutek
wymiany energii z otoczeniem. W takim procesie
zmniejszeniu się masy układu o m towarzyszy oddanie
przez układ energii E w ilości:

E

E

=

=

mc

mc

2

2

Warunki trwałości jąder atomowych

Warunki trwałości jąder atomowych

Trwałe jądra

Trwałe jądra

W

jądrach

o

liczbach

atomowych

mniejszych niż 20 stosunek N/Z  1. W miarę

zwiększania się liczby atomowej stosunek ten
wzrasta do wartości około 1.6.

Legenda:

N

N

– liczba neutronów w jądrze

Z

Z

– liczba atomowa

Jądra o dużych masach atomowych (Z powyżej
208) są nietrwałe bez względu na stosunek N/Z .

Zarówno

nadmierny wzrost

nadmierny wzrost

liczby neutronów, jak i

nadmierny jej spadek

nadmierny jej spadek

, powoduje, że jądro staje się

nietrwałe i ulega przemianie lub serii przemian
prowadzących do utworzenia trwałego jądra.
Możliwe przemiany to:

1)

1)

Emisja promieniowania β

Emisja promieniowania β

-

-

, tj. emisja

elektronu e

-

i antyneutrina V

n  p + e

-

+ V

V

e

N

14

7

C

14

6

np.

V

e

Y

M

1

Z

X

M

Z















V

e

N

14

7

C

14

6

np.

V

e

Y

M

1

Z

X

M

Z















2a)

2a)

Emisja promieniowania β+

Emisja promieniowania β+

, tj. emisja

pozytonu e+ i neutrina V

p  n + e

+

+ V

V

e

Y

X

M

1

Z

M

Z











V

e

Y

X

M

1

Z

M

Z











2b)

2b)

W sztucznych przemianach promieniotwórczych

W sztucznych przemianach promieniotwórczych

-

wychwytywanie przez jądro jednego z elektronów z
pozajądrowej części atomu (oznaczanej symbolem K).
Ubytek elektronu z powłoki K jest wyrównywany przez
przejście na nią elektronu z którejkolwiek z dalszych
powłok.

p + e  n + R R – promieniowanie

rentgenowskie

Z  Z –1 , M=const

3) Emisja cz

3) Emisja cz

ą

ą

stek „alfa”

stek „alfa”

(

(

4

4

2

2

He)

He)











Y

X

M

Z

M

Z

4

2











Y

X

M

Z

M

Z

4

2

Reguła Fajansa i Soddy’ego (1911 – 1913)

Reguła Fajansa i Soddy’ego (1911 – 1913)

– emisji

cząstki  towarzyszy przesunięcie pierwiastka o
dwa miejsca w lewo w układzie okresowym, emisji
cząstki 

+

o jedno miejsce w lewo, a emisji cząstki



-

o jedno miejsce w prawo.

4)

4)

Jądra

powstające

w

wyniku

przemian

promieniotwórczych mogą być niekiedy obdarzone
nadmiarem energii, którego pozbywają się emitując

promieniowanie

promieniowanie





.

.

Odznacza się ono jeszcze mniejszą

długością fali niż promieniowanie rentgenowskie. Emisji
promieniowania



nie

towarzyszy

zmiana

liczby

nie

towarzyszy

zmiana

liczby

atomowej, ani liczby masowej.

atomowej, ani liczby masowej.

Szybkość rozpadu promieniotwórczego

Szybkość rozpadu promieniotwórczego

- proporcjonalna do liczby nie rozłożonych atomów (N):

-dN/dt = N

 - stała rozpadu promieniotwórczego

dN – ubytek liczy atomów

założenie: dla t=0 N=N

0

0

N

N

ln = t  N = N

0

e

-t

Dzięki tym przekształceniom otrzymuje się

okres

okres

pó

pó

ł

ł

trwania

trwania

izotopu promieniotwórczego, tj. czas, w

którym ulega rozpadowi połowa ilości danego izotopu
(dla t = T

1/2

i

2

N

N

0



):

λ

ln2

T

2

1



λ

ln2

T

2

1



lat

U

lat

Ra

s

Po

9

238

82

226

88

4

214

84

10

51

,

4

1622

10

62

,

1













np.

Szeregi promieniotwórcze

Szeregi promieniotwórcze

Większość

naturalnych

pierwiastków

promieniotwórczych ulegając rozpadowi daje jądra
nowego pierwiastka, które również są nietrwałe i
ulegają dalszemu rozpadowi. W ten sposób
powstają

tzw.

szeregi

promieniotwórcze

szeregi

promieniotwórcze

.

Zaczynają się one nuklidem stosunkowo trwałym,
a kończą się nuklidami nie promieniotwórczymi.

Wśród pierwiastków występujących w przyrodzie
wyróżnia się trzy szeregi:

-

-

uranowo – radowy

uranowo – radowy

)

(

)

(

206

82

238

92

Pb

U 

- uranowo – aktynowy

- uranowo – aktynowy

- torowy

- torowy

)

(

)

(

207

82

235

92

Pb

U 

)

(

)

(

208

82

232

90

Pb

Th 

L

ic

z

b

a

m

a

s

o

w

a

,

A

23
8

23
4

23
0

22
6

22
2

21
8

21
4

21
0

20
6

4,51

.

1

0

9

a

24,10

d

11,7

min

2,44

.

1

0

5

a

7,50

.

1

0

4

a

162

2

a

3,82

3
d

3,04

min

26,9

min

19,7

min

1,62

.

1

0

-4

s

1,30

d

22,6

a

5,0 d

138,3

75

d

Trwał

y

izoto

p

Liczba atomowa,
Z

Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac
Th Pa U
81 82 83 84 85 86 87 88 89
90 91 92

Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac
Th Pa U
81 82 83 84 85 86 87 88 89
90 91 92

Szereg promieniotwórczy uranowo-radowy:

Szereg promieniotwórczy uranowo-radowy:

promieniowanie

promieniowanie

α

α

;

;

β

β

-

-

a – lata

d – dni

h - godziny

min – minuty

s - sekundy

Szereg promieniotwórczy uranowo-aktynowy:

Szereg promieniotwórczy uranowo-aktynowy:

promieniowanie

promieniowanie

α

α

;

;

β

β

-

-

7,04

.

1

0

8

a

1,063

d

3,2

5

.

1

0

5

a

21,

77

a

18,72

d

22,

0

min

11,

435

d

3,96

s

1,78

.

10

-3

s

36,1

min

2,1

4

min

0,516

s

4,7

min

Trwały

izotop

Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac
Th Pa U
81 82 83 84 85 86 87 88
89 90 91 92

Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac
Th Pa U
81 82 83 84 85 86 87 88
89 90 91 92

Liczba atomowa,
Z

L

ic

z

b

a

m

a

s

o

w

a

,

A

235

231

227

223

219

215

211

207

a – lata

d – dni

h - godziny

min – minuty

s - sekundy

Szereg promieniotwórczy torowy:

Szereg promieniotwórczy torowy:

promieniowanie

promieniowanie

α

α

;

;

β

β

-

-

23
2

22
8

22
4

22
0

21
6

21
2

20
8

1,4

.

10

8

a

5,76 a

6,15

h

1,913

a

3,66 d

55,6

s

0,145 s

10,64

h

1,0

01

h

3

.

10

-7

s

3,05

3

min

Trwały

izotop

L

ic

zb

a

m

a

s

o

w

a

,

A

Liczba atomowa,
Z

Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra
Ac Th
81 82 83 84 85 86 87
88 89 90

Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra
Ac Th
81 82 83 84 85 86 87
88 89 90

a – lata

d – dni

h - godziny

min – minuty

s - sekundy

)

(

)

(

209

83

237

93

Bi

Np 

H

O

He

N

1

1

17

8

4

2

14

7







H

O

He

N

1

1

17

8

4

2

14

7







H

C

Rb

K

3

1

14

6

87

37

40

19

;

;

;

H

C

Rb

K

3

1

14

6

87

37

40

19

;

;

;

Przykładem

szeregu

promieniotwórczego

sztucznego jest szereg neptunowy

, natomiast przykładem sztucznej przemiany jądrowej jest

Oprócz pierwiastków promieniotwórczych tworzących
trzy szeregi naturalne wykryto w przyrodzie jeszcze
kilka innych izotopów nietrwałych, w ich liczbie
izotopy:

(Rutheford, 1919)

(Rutheford, 1919)

Szereg promieniotwórczy neptunowy:

Szereg promieniotwórczy neptunowy:

promieniowanie

promieniowanie

α

α

;

;

β

β

-

-

14,9

2,16

3,25 h

237

233

229

225

221

217

213

209

14,9

2,16

3,25 h

2,14

.

1

0

6

a

27,

0 d

1,59

.

1

0

5

a

7,9
10

3

a

14,9

d

10 d

4,8

min

0,03

2 s

45,6

min

4 10

-6

s

2,16

min

3,2
h

Trwał

y

izoto

p

Liczba atomowa,
Z

Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th
Pa U Np
81 82 83 84 85 86 87 88 89
90 91 92 93

Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th
Pa U Np
81 82 83 84 85 86 87 88 89
90 91 92 93

L

ic

zb

a

m

a

s

o

w

a

,

A

a – lata

d – dni

h - godziny

min – minuty

s - sekundy

Równowaga promieniotwórcza

Równowaga promieniotwórcza

W

preparacie

promieniotwórczym

pozostawionym

do

ustalenia

się

stanu

stacjonarnego obecne są wszystkie produkty
rozpadu (N

1

, N

2

, N

3

…) , a stosunek ich ilości równy

jest stosunkowi ich okresów półtrwania (T

1/2

1

, T

1/2

2

,

T

1/2

3

….):

N

1

:N

2

:N

3

:......=T

1/2

1

:T

1/2

2

:T

1/2

3

:.....

Nie jest to jednak stan równowagi chemicznej

(termodynamicznej),

ponieważ

przemiany

w

szeregach promieniotwórczych dotyczą

przemian

przemian

nieodwracalnych

nieodwracalnych

.

Podzia

Podzia

ł

ł

reakcji j

reakcji j

ą

ą

drowych na grupy:

drowych na grupy:



proste reakcje j

proste reakcje j

ą

ą

drowe

drowe

– cząstki bombardujące

wykazują

energię

nie

przekraczającą

kilkudziesięciu MeV, a wchłonięcie ich przez jądro
łączy się z emisją jednej lub 2 cząstek
elementarnych (elektronu, protonu itp.)



kruszenie j

kruszenie j

ą

ą

der

der

– cząstki bombardujące

posiadają bardzo wysokie energie (rzędu kilkuset
MeV);

jądra

bombardowane

tracą

w

tym

przypadku znaczną część swej masy ( do 40 u)



rozczepianie j

rozczepianie j

ą

ą

der

der

– rozszczepieniu ulegają

niektóre

nietrwałe,

ciężkie

jądra

atomowe

naświetlane powolnymi neutronami; w wyniku tej
reakcji jądrowej powstają dwa fragmenty jądra o
porównywalnych masach oraz 2-3 neutronów



reakcje termoj

reakcje termoj

ą

ą

drowe

drowe

– zachodzą w bardzo

wysokich temperaturach (10

7

-10

8

K) i polegają na

łączeniu się najmniejszych jąder (

1

1

H,

2

1

D itp.) w

większe.

Prof. dr hab. inż. Lech Chmurzyński